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颗粒增强铝基复合材料焊接工艺与机理研究

王少刚  
【摘要】: 颗粒增强铝基复合材料由于具有比强度和比模量高、耐磨、耐腐蚀、抗辐射及尺寸稳定性好等许多优点,在航空航天、兵器等国防工业和汽车、电子等民用工业具有广泛的应用前景,成为当今金属基复合材料研究和发展的主流。然而,由于复合材料的增强体与基体之间的熔点、导热性和热膨胀系数等热物理性能参量存在巨大差异,使得铝基复合材料的焊接性很差,采用常规的熔化焊方法焊接该类材料,焊缝表面成形不好,且易在焊缝金属中产生气孔、夹杂和微裂纹等缺陷,对于SiCp/Al复合材料,还会在增强体SiC颗粒与基体Al合金之间发生界面反应,生成脆性化合物Al_4C_3,严重降低接头力学性能。 针对铝基复合材料焊接过程的特点,本文在全面总结铝基复合材料焊接过程中存在的问题基础上,以颗粒增强铝基复合材料Al_2O_3p/6061Al、SiCp/2124Al等作为研究对象,系统研究了颗粒增强铝基复合材料的脉冲氩弧焊焊接性及氩气保护条件下Al_2O_3p/6061Al炉中钎焊的可行性。通过采用不同填充材料及不同规范参数焊接工艺试验,以及对获得接头采用光学金相分析、拉伸断口扫描电镜(SEM)观察和接头X射线衍射(XRD)相结构分析,探讨了接头形成过程的机理以及获得高质量焊接接头应采取的措施。 论文提出了在脉冲氩弧焊过程中采用合金化填充材料,通过合金元素Ti发生诱发反应的方法,以抑制SiC/Al之间的界面反应,同时新生成的TiC粒子又可作为增强体,从而提高接头强度。焊接过程中,微量脉冲的加入,一方面可减少焊接时对熔池的热输入,有利于减轻界面反应;另一方面可增强对熔池金属的搅拌作用,改善焊缝金属的流动性,有利于气体的析出,减少焊缝金属中气孔的形成,并使焊缝表面成形良好。研究结果表明,采用脉冲诱发反应的方法焊接SiCp/Al复合材料,获得的接头表面成形良好。金相组织观察显示,接头内部组织致密,未发现有气孔、夹杂和微裂纹等缺陷;拉伸实验及接头显微硬度测试表明,接头强度等力学性能没有大幅度下降,说明该方法用于焊接颗粒增强铝基复合材料可行。接头X射线衍射相结构分析检测到焊缝金属中存在TiC等增强相,进一步证实诱发反应的真实性。 对氩气保护条件下Al_2O_3p/6061Al炉中钎焊性研究表明,采用氩气保护炉中钎焊颗粒增强铝基复合材料,具有操作简单,钎焊温度低,焊接变形小,去膜效果好等特点,通过采用合理的钎料、钎剂组合以及优化钎焊工艺参数,可以获得良好的钎焊接头质量。对钎焊接头形成过程的机理研究表明,钎焊过程中采用惰性气体Ar保护以及对接头施加微压力可大大改善钎料对母材的润湿性,


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